JP6709499B2 - Infrared transparent glass - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線センサー等に使用される赤外線透過ガラスに関する。 The present invention relates to infrared transmitting glass used for infrared sensors and the like.
車載ナイトビジョンやセキュリティシステム等には、夜間の生体検知に用いられる赤外線センサーを備えている。赤外線センサーは、生体から発せられる波長約8〜14μmの赤外線を感知するため、センサー部の前には当該波長範囲の赤外線を透過するフィルターやレンズ等の光学素子が設けられる。 In-vehicle night vision systems, security systems, etc. are equipped with infrared sensors that are used to detect living bodies at night. Since the infrared sensor senses infrared rays emitted from a living body and having a wavelength of about 8 to 14 μm, an optical element such as a filter or a lens that transmits infrared rays in the wavelength range is provided in front of the sensor unit.
上記のような光学素子用の材料として、GeやZnSeが挙げられる。これらは結晶体であるため加工性に劣り、非球面レンズ等の複雑な形状に加工することが困難である。そのため量産しにくく、また赤外線センサーの小型化も困難であるという問題がある。 Ge and ZnSe are mentioned as a material for the above optical elements. Since these are crystalline bodies, they are inferior in workability, and it is difficult to process them into complicated shapes such as aspherical lenses. Therefore, there are problems that it is difficult to mass-produce and it is difficult to downsize the infrared sensor.
そこで、波長約8〜14μmの赤外線を透過し、加工が比較的容易なガラス質の材料として、カルコゲナイドガラスが提案されている(例えば特許文献1参照)。 Therefore, chalcogenide glass has been proposed as a glassy material that transmits infrared rays having a wavelength of about 8 to 14 μm and is relatively easy to process (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載のガラスは、波長10μm以上で赤外線透過率が顕著に低下しているため、特に生体から発せられる赤外線に対する感度に劣り、赤外線センサーが十分に機能しないおそれがある。 Since the infrared ray transmittance of the glass described in Patent Document 1 is remarkably lowered at a wavelength of 10 μm or more, the infrared ray sensor may not function sufficiently because the infrared ray emitted from the living body is inferior in sensitivity.
以上に鑑み、本発明は、赤外線透過率に優れ、赤外線センサー用途に好適なガラスを提供することを目的とする。 In view of the above, it is an object of the present invention to provide glass that has excellent infrared transmittance and is suitable for infrared sensor applications.
本発明者らが鋭意検討した結果、特定組成を有するカルコゲナイドガラスにより、前記課題を解決できることを見出した。 As a result of intensive studies by the present inventors, they have found that the above problem can be solved by a chalcogenide glass having a specific composition.
即ち、本発明の赤外線透過ガラスは、モル%で、Ga 0〜89%(ただし0%を含まない)、Te 11〜90%、S 0〜89%(ただし0%を含まない)、Ge+Sn+Ag+Cu+Bi+Sb 0〜50%、及びF+Cl+Br+I 0〜50%を含有することを特徴とする。なお、本明細書において、「○+○+・・・」は該当する各成分の含有量の合量を意味する。 That is, the infrared transparent glass of the present invention is, in mol %, Ga 0 to 89% (excluding 0%), Te 11 to 90%, S 0 to 89% (excluding 0%), Ge+Sn+Ag+Cu+Bi+Sb 0. ˜50%, and F+Cl+Br+I 0-50%. In addition, in this specification, "○+○+..." means the total amount of the content of each applicable component.
本発明の赤外線透過ガラスは、Cd、Tl及びPbを実質的に含有しないことが好ましい。 The infrared transparent glass of the present invention preferably contains substantially no Cd, Tl or Pb.
本発明の赤外線透過ガラスは、厚み2mmでの赤外吸収端波長が20μm以上であることが好ましい。なお本発明において、「赤外吸収端波長」とは、波長8μm以上の赤外域において光透過率が0.5%となる波長をいう。 The infrared transmitting glass of the present invention preferably has an infrared absorption edge wavelength of 20 μm or more at a thickness of 2 mm. In the present invention, the “infrared absorption edge wavelength” means a wavelength at which the light transmittance is 0.5% in the infrared region having a wavelength of 8 μm or more.
本発明の光学素子は、上記の赤外線透過ガラスを用いたことを特徴とする。 The optical element of the present invention is characterized by using the above infrared transmitting glass.
本発明の赤外線センサーは、上記の光学素子を用いたことを特徴とする。 An infrared sensor of the present invention is characterized by using the above optical element.
本発明の赤外線透過ガラスは、赤外線透過率に優れ、赤外線センサー用途に好適である。 The infrared transparent glass of the present invention has excellent infrared transmittance and is suitable for infrared sensor applications.
本発明の赤外線透過ガラスは、モル%で、Ga 0〜89%(ただし0%を含まない)、Te 11〜90%、S 0〜89%(ただし0%を含まない)、Ge+Sn+Ag+Cu+Bi+Sb 0〜50%、及びF+Cl+Br+I 0〜50%を含有することを特徴とする。このようにガラス組成を規定した理由を以下に説明する。なお、以下の各成分の含有量の説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。 The infrared transparent glass of the present invention is, in mol %, Ga 0 to 89% (excluding 0%), Te 11 to 90%, S 0 to 89% (excluding 0%), Ge+Sn+Ag+Cu+Bi+Sb 0 to 50. %, and F+Cl+Br+I 0 to 50%. The reason for defining the glass composition in this way will be described below. In the following description of the content of each component, "%" means "mol %" unless otherwise specified.
Gaはガラス骨格を形成するための必須成分である。Gaの含有量は0〜89%(ただし0%を含まない)であり、5〜70%であることが好ましく、10〜60%であることがより好ましい。Gaの含有量が少なすぎると、ガラス化しにくくなる。一方、Gaの含有量が多すぎると、Ga系結晶が析出して赤外線が透過しにくくなるとともに、原料コストが高くなる傾向がある。 Ga is an essential component for forming the glass skeleton. The Ga content is 0 to 89% (excluding 0%), preferably 5 to 70%, and more preferably 10 to 60%. If the Ga content is too low, vitrification becomes difficult. On the other hand, if the Ga content is too high, Ga-based crystals are deposited and infrared rays are less likely to pass through, and the raw material cost tends to increase.
カルコゲン元素であるTeはガラス骨格を形成する必須成分である。Teの含有量は11〜90%であり、15〜85%であることが好ましく、30〜80%であることがより好ましい。Teの含有量が少なすぎると、ガラス化しにくくなり、一方、多すぎるとTe系結晶が析出して赤外線が透過しにくくなる。 Te, which is a chalcogen element, is an essential component that forms the glass skeleton. The content of Te is 11 to 90%, preferably 15 to 85%, and more preferably 30 to 80%. If the Te content is too low, vitrification tends to be difficult. On the other hand, if the Te content is too high, Te-based crystals are deposited and infrared rays are difficult to transmit.
同じくカルコゲン元素であるSは、ガラスの熱的安定性(ガラス化の安定性)を高める必須成分である。Sの含有量は0〜89%(ただし0%を含まない)であり、5〜70%であることが好ましく、10〜60%であることがより好ましい。Sの含有量が少なすぎると、ガラス化しにくくなる。一方、Sの含有量が多すぎると、赤外吸収端波長が短波長側にシフトし、赤外透過特性が低下しやすくなる。 S, which is also a chalcogen element, is an essential component that enhances the thermal stability (stability of vitrification) of glass. The content of S is 0 to 89% (excluding 0%), preferably 5 to 70%, and more preferably 10 to 60%. If the S content is too low, vitrification becomes difficult. On the other hand, if the content of S is too large, the infrared absorption edge wavelength shifts to the short wavelength side, and the infrared transmission characteristics are likely to deteriorate.
Ge、Sn、Ag、Cu、Bi、Sbは赤外線透過特性を低下させることなく、ガラスの熱的安定性を高める成分である。Ge+Sn+Ag+Cu+Bi+Sbの含有量は0〜50%であり、0〜50%(ただし0%を含まない)であることが好ましく、1〜40%であることがより好ましく、2〜30%であることがさらに好ましく、3〜25%であることが特に好ましく、5〜20%であることが最も好ましい。Ga+Sn+Ag+Cu+Bi+Sbの含有量が少なすぎる、あるいは多すぎると、ガラス化しにくくなる。なお、Ga、Sn、Ag、Cu、Bi、Sbの各成分の含有量は各々0〜50%であり、0〜50%(ただし0%を含まない)であることが好ましく、1〜40%であることがより好ましく、2〜30%であることがさらに好ましく、3〜25%であることが特に好ましく、5〜20%であることが最も好ましい。なかでもガラスの熱的安定性を高める効果が特に大きいという点で、Ge、AgまたはSnを使用することが好ましい。 Ge, Sn, Ag, Cu, Bi and Sb are components that enhance the thermal stability of the glass without deteriorating the infrared transmission characteristics. The content of Ge+Sn+Ag+Cu+Bi+Sb is 0 to 50%, preferably 0 to 50% (excluding 0%), more preferably 1 to 40%, and further preferably 2 to 30%. It is preferably 3 to 25%, particularly preferably 5 to 20%. If the content of Ga+Sn+Ag+Cu+Bi+Sb is too small or too large, vitrification becomes difficult. The content of each component of Ga, Sn, Ag, Cu, Bi and Sb is 0 to 50%, preferably 0 to 50% (excluding 0%), and 1 to 40%. Is more preferable, 2 to 30% is still more preferable, 3 to 25% is particularly preferable, and 5 to 20% is most preferable. Among them, Ge, Ag or Sn is preferably used because the effect of enhancing the thermal stability of the glass is particularly large.
F、Cl、Br、Iもガラスの熱的安定性を高める成分である。F、Cl、Br、Iの含有量は0〜50%であり、1〜40%であることが好ましく、1〜30%であることがより好ましく、1〜25%であることがさらに好ましく、1〜20%であることが特に好ましい。F+Cl+Br+Iの含有量が多すぎると、ガラス化しにくくなるとともに、耐候性が低下しやすくなる。なお、F、Cl、Br、Iの各成分の含有量は、各々0〜50%であり、1〜40%であることが好ましく、1〜30%であることがより好ましく、1〜25%であることがさらに好ましく、1〜20%であることが特に好ましい。なかでも元素原料を使用可能であり、ガラスの熱的安定性を高める効果が特に大きいという点で、Iを使用することが好ましい。 F, Cl, Br and I are also components that enhance the thermal stability of the glass. The content of F, Cl, Br, I is 0 to 50%, preferably 1 to 40%, more preferably 1 to 30%, further preferably 1 to 25%, It is particularly preferably 1 to 20%. When the content of F+Cl+Br+I is too large, it becomes difficult to vitrify and the weather resistance tends to decrease. The content of each of F, Cl, Br, and I is 0 to 50%, preferably 1 to 40%, more preferably 1 to 30%, and 1 to 25%. Is more preferable, and 1 to 20% is particularly preferable. Among them, I is preferably used because it is possible to use the elemental raw material and the effect of enhancing the thermal stability of the glass is particularly large.
本発明の赤外線透過ガラスには、上記成分以外にも下記の成分を含有させることができる。 The infrared transparent glass of the present invention may contain the following components in addition to the above components.
Zn、In、Pはガラス化範囲を広げ、ガラスの熱的安定性を高める成分である。その含有量は各々0〜20%であることが好ましく、0.5〜10%であることがより好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると、ガラス化しにくくなる。 Zn, In and P are components that expand the vitrification range and enhance the thermal stability of the glass. The content of each is preferably 0 to 20%, and more preferably 0.5 to 10%. If the content of these components is too large, vitrification becomes difficult.
Se、Asはガラス化範囲を広げ、ガラスの熱安定性を高める成分である。その含有量は各々0〜10%であることが好ましく、0.5〜5%であることがより好ましい。ただし、これらの物質は毒性を有するため、環境や人体への影響を低減する観点からは含有しないことが好ましい。 Se and As are components that expand the vitrification range and enhance the thermal stability of the glass. The content of each is preferably 0 to 10%, and more preferably 0.5 to 5%. However, since these substances are toxic, it is preferable not to contain them from the viewpoint of reducing the influence on the environment and the human body.
なお、本発明の赤外線透過ガラスは有毒物質であるCd、Tl及びPbを実質的に含有しないことが好ましい。このようにすれば、環境面への影響を最小限に抑えることができる。ここで、「実質的に含有しない」とは、意図的に原料中に含有させないという意味であり、不純物レベルの混入を排除するものではない。客観的には、各成分の含有量が0.1%未満であることが好ましい。 It is preferable that the infrared transparent glass of the present invention does not substantially contain toxic substances Cd, Tl and Pb. In this way, the impact on the environment can be minimized. Here, "substantially free from" means not intentionally added to the raw material, and does not exclude inclusion of impurity levels. Objectively, the content of each component is preferably less than 0.1%.
本発明の赤外線透過ガラスは波長約8〜18μmにおける赤外線透過率に優れる。赤外線透過率を評価するための指標として、赤外吸収端波長が挙げられる。赤外吸収端波長が大きいほど、赤外線透過性に優れると判断できる。本発明の赤外透過ガラスの厚み2mmでの赤外吸収端波長は20μm以上であることが好ましく、21μm以上であることがより好ましい。 The infrared transparent glass of the present invention is excellent in infrared transmittance at a wavelength of about 8 to 18 μm. An infrared absorption edge wavelength is mentioned as an index for evaluating the infrared transmittance. It can be judged that the larger the infrared absorption edge wavelength, the better the infrared transmittance. The infrared absorption edge wavelength of the infrared transmission glass of the present invention at a thickness of 2 mm is preferably 20 μm or more, and more preferably 21 μm or more.
本発明の赤外線透過ガラスは、例えば以下のようにして作製することができる。まず、所望の組成となるように原料を調合する。加熱しながら真空排気を行った石英ガラスアンプルに原料を入れ、真空排気を行いながら酸素バーナーで封管する。封管された石英ガラスアンプルを650〜1000℃程度で6〜12時間保持した後、室温まで急冷することにより本発明の赤外線透過ガラスが得られる。 The infrared transparent glass of the present invention can be produced, for example, as follows. First, raw materials are prepared so as to have a desired composition. The raw material is put into a quartz glass ampoule that has been evacuated while heating, and the tube is sealed with an oxygen burner while being evacuated. The infrared ray transmitting glass of the present invention is obtained by holding the sealed quartz glass ampoule at about 650 to 1000° C. for 6 to 12 hours and then rapidly cooling it to room temperature.
原料としては、元素原料(Ga、Te、S、Ag、I等)を用いてもよく、化合物原料(Ga2Te3、Ga2S3、AgI等)を用いても良い。また、これらを併用することも可能である。 As a raw material, an elemental raw material (Ga, Te, S, Ag, I, etc.) may be used, or a compound raw material (Ga 2 Te 3 , Ga 2 S 3 , AgI, etc.) may be used. It is also possible to use these together.
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
表1及び2は本発明の実施例及び比較例をそれぞれ示している。 Tables 1 and 2 show examples of the present invention and comparative examples, respectively.
各試料は次のようにして調製した。表1及び2に記載のガラス組成となるように、原料を混合し、原料バッチを得た。純水で洗浄した石英ガラスアンプルを加熱しながら真空排気した後、原料バッチを入れ、真空排気を行いながら酸素バーナーで石英ガラスアンプルを封管した。 Each sample was prepared as follows. Raw materials were mixed so that the glass compositions shown in Tables 1 and 2 were obtained to obtain raw material batches. The quartz glass ampoule washed with pure water was evacuated while heating, then the raw material batch was charged, and the quartz glass ampoule was sealed with an oxygen burner while evacuating.
封管された石英ガラスアンプルを溶融炉内で10〜20℃/時間の速度で650〜1000℃まで昇温後、6〜12時間保持した。保持時間中、2時間ごとに石英ガラスアンプルの上下を反転し、溶融物を攪拌した。その後、石英ガラスアンプルを溶融炉から取り出し、室温まで急冷することにより試料を得た。 The sealed quartz glass ampoule was heated in the melting furnace at a rate of 10 to 20° C./hour to 650 to 1000° C. and then held for 6 to 12 hours. During the holding time, the quartz glass ampoule was turned upside down every 2 hours and the melt was stirred. Then, the quartz glass ampoule was taken out of the melting furnace and rapidly cooled to room temperature to obtain a sample.
得られた試料についてX線回折を行い、その回折スペクトルからガラス化しているかどうかを確認した。表中には、ガラス化しているものは「○」、ガラス化していないものは「×」として表記した。また、各試料につき厚み2mmでの光透過率を測定し、赤外吸収端波長を測定した。 The obtained sample was subjected to X-ray diffraction, and it was confirmed from the diffraction spectrum whether or not it was vitrified. In the table, those which are vitrified are indicated by "○" and those which are not vitrified are indicated by "x". In addition, the light transmittance at a thickness of 2 mm was measured for each sample, and the infrared absorption edge wavelength was measured.
表1に示すように、実施例1〜10の試料はガラス化しており、赤外吸収端波長が24.1〜24.3μmであり、波長8〜18μm付近の赤外域において良好な光透過率を示していた。 As shown in Table 1, the samples of Examples 1 to 10 are vitrified, have an infrared absorption edge wavelength of 24.1 to 24.3 μm, and have good light transmittance in the infrared region near the wavelength of 8 to 18 μm. Was shown.
一方、比較例1〜3の試料はガラス化しておらず、波長2〜24μmの範囲で光透過率がほぼ0%であった。 On the other hand, the samples of Comparative Examples 1 to 3 were not vitrified, and the light transmittance was almost 0% in the wavelength range of 2 to 24 μm.
本発明の赤外線透過ガラスは、赤外線センサーのセンサー部を保護するためのカバー部材や、センサー部に赤外光を集光させるためのレンズ等の光学素子として好適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The infrared transparent glass of the present invention is suitable as an optical element such as a cover member for protecting the sensor part of an infrared sensor and a lens for focusing infrared light on the sensor part.
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